Journal Review “Biomaterials”SELECTING POLYMERS FOR MEDICAL DEVICES BASED ON THERMAL

ANALYTICAL METHODS

H. Sobhi, M. Ellen Matthews, B. Grandy, J. Masnovi and A. T. Riga

Pada jurnal ini membahas mengenai pemilihan bio-kompatibel polimer dengan menggunakan metode analisis termal. Tujuan dari dilakukannya metode analisis termal adalah untuk mengetahui sifat termal dan mekanik dari suatu polimer, yang merupakan syarat utama pada aplikasinya di bidang medis. Adapun metode tersebut menggunakan alat bantu seperti Differential Scanning Calorimeter (DSC), Thermogravimetry (TG), Thermal Mechanical Analysis (TMA) dan Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Sedangkan, polimer yang dijadikan sampel pada percobaan, antara lain olefin, nilon, poliasetal, polivinil klorida dan poliester.

PendahuluanAda beberapa alasan mengapa polimer digunakan untuk implant, yaitu memiliki sifat bio-stabil terhadap degradasi oksidatif, hidrolisis dan enzimatis. Polimer tidak beracun dan tidak memproduksi racun, hypoallergenic, biokompatibel, dan memiliki kombinasi temperatur transisi yg diinginkan (temperatur transisi gelas, temperatur leleh, dll). Selain itu, polimer juga harus memiliki beberapa sifat fisik yang sesuai dengan yang dibutuhkan, seperti kekerasan, ketahanan aus dan kekuatan impak yang baik. Pengklasifikasian mengenai jenis-jenis polimer termoplastik dan termoset yang biasa digunakan beserta penggunaannya sebagai implant diuraikan pada figure 1.

Fig. 1 Biomaterials

overview citing where polymers are being used as medical devices

DSC (Differential Scanning Calorimeter) yang digunakan untuk percobaan merupakan alat yang dapat mengetahui sifat-sifat umum polimer. Pada percobaan, DSC diberi alat tambahan bernama DMA (Dynamic Mechanical Analysis) yang berfungsi untuk memverifikasi sifat polimer pada proses manufaktur, memprediksi daya tahan pemakaian, dan menentukan hubungan antara sifat dan kemampuannya sebagai perangkat medis. Sedangkan, Thermal Mechanical Analysis (TMA) adalah teknik Thermal Analysis (TA) yang mengukur sifat mekanik sampel ketika sedang mengalami perubahan temperatur.

PercobaanPercobaan yang dilakukan pada jurnal ini terdiri dari beberapa metode. Metode-metode tersebut, antara lain:1. Menggunakan TAI 2920 DSC dengan laju pemanasan 20 °C/menit, 10 mg sampel, panci aluminium tertutup, lingkungan nitrogen, siklus panas dan dingin, dan dengan kisaran temperatur dari temperatur ruang hingga 40 °C di atas temperatur leleh (Tm).2. Metode berdasarkan ASTM E1858 dan E2009 ASTM, yaitu dengan menggunakan TAI 2920 DSC pada laju pemanasan 40 °C/menit, 5 mg sampel, panci aluminium terbuka, lingkungan oksigen isotermal pada 175 °C untuk tekanan DSC dan isotermal 200 °C untuk DSC.3. Menggunakan TAI 2980 DMA dengan laju pemanasan 10 °C/menit, 10 mg sampel yang berasal dari Society of Plastics Engineers (SPE) Resin Kit®, lingkungan nitrogen, dan berbagai temperatur dari temperatur ruang sampai 20 °C di atas temperatur leleh (Tm).4. Menggunakan TAI 2940 TMA dengan laju pemanasan 10 °C/menit, 10 mg sampel, lingkungan nitrogen, kisaran temperatur dari temperatur kamar sampai temperatur leleh (Tm).5. Menggunakan TA 2950 TGA dengan laju pemanasan 20 °C/menit, 5-10 mg sampel, panci platinum, lingkungan nitrogen dan udara bebas, kisaran temperatur dari temperatur ruang hingga 40 °C di atas temperatur dekomposisi.

Hasil dan PembahasanSifat yang mudah dicapai dengan DSC adalah temperatur transisi gelas (Tg), temperatur leleh (Tm), temperatur kristalisasi, oxygen induction time (OIT), dan persen curing pada termoset. Sifat-sifat tersebut ditunjukkan pada table 1.

Table 1 A review of physical properties measured in the following materials: TP thermoplastics, TS thermoset polymers, EL elastomers, CH chemicals & drugs, PE petroleum, GL glasses, ME

metals & bio proteins and starches

Pemilihan polimer untuk perangkat medis berdasarkan TMA dan DSC ditampilkan pada figure 2, coefficient of thermal expansion (CTE) TMA dibandingkan dengan Tm dan Tg DSC dari sembilan buah polimer. Stabilitas struktural polimer dapat dilihat dari nilai CTE yang rendah dan Tg dan/atau Tm yang tinggi, contohnya adalah polieter eter keton (PEEK), politetrafluoretilen (PTFE), nilon dan olefin.

Fig. 2 Selection of polymers for medical devices based on TMA and DSC properties

Sedangkan, analisa lengkap mengenai Tg dapat ditinjau pada figure 3. Tg pada setengah dari perubahan kapasitas panas, ΔCp, adalah sifat yang layak dipertimbangkan ketika Tg menjadi hal penting dalam karakterisasi polimer. Demikian pula, persen kristalinitas yang memainkan peran penting dalam pembuatan polimer dan sifat utamanya (terdapat pada figure 4). Persen

kristalinitas dari PET (polietilena tereftalat) sebelum penentuan DSC adalah 21%. Nilai ini memainkan peran penting dalam kekuatan polimer dan sifat utamanya.

Fig. 3 Glass transition of a polymer by DSC

Fig. 4 DSC of PET: % crystalline by heat of fusion and crystallization

Sifat oksidatif dari polimer dapat ditentukan oleh salah satu ASTM E1858 atau ASTM E2009, masing-masing berupa oxidation induction time (OIT) atau oxidation onset temperature (OOT). Perbandingan dari OIT vs OOT untuk 11 poliolefin (PE dan PP) menghasilkan hubungan linear r2 = 0,94, figure 5. Oleh karena itu, salah satu dari percobaan ini akan menguntungkan pencarian poliolefin yang bergantung kepada stabilitas oksidatifnya. Pada percobaan TG di udara bebas, Kapton® menjadi yang paling stabil dan Nomex® menjadi yang paling tidak stabil, seperti terlihat pada figure 6.

Fig. 5 Oxidative behavior of polyolefins by OIT ASTM E1858 and OOT ASTM E2009

Fig. 6 Oxidative behavior of various polymers by TG in 21% oxygen (air)

Stabilitas termal yang diukur dengan TG pada lingkungan nitrogen menunjukkan bahwa polimida (PI) merupakan yang paling stabil dan polivinil klorida (PVC) yang paling tidak stabil, figure 7.

Fig. 7 Thermal behavior of various polymers by TG in 100% nitrogen

Pemilihan polimer untuk perangkat medis berdasarkan TG di lingkungan nitrogen ditunjukkan oleh figure 8. PEEK, PTFE, HDPE, Nylon 6, PET dan PP memiliki temperatur dekomposisi di atas 400 °C. Polimer-polimer ini akan sangat stabil dalam suasana inert.

Fig. 8 TG selection of medical device polymers based on relative decomposition

Nilai modulus flexural DMA polimer yang baik untuk perangkat medis ditampilkan pada figure 9. Dari sini terlihat bahwa PEEK merupakan polimer yang paling baik karena memiliki nilai modulus tertinggi, yaitu 3900 MPa. Sedangkan, pemilihan polimer berdasarkan sifat ketahanan impaknya disajikan pada figure 10, yang menunjukkan bahwa polimer dengan ketahanan impak paling tinggi adalah HDPE dan poli-karbonat.

Fig. 9 DMA flexural modulus of polymers for medical devices

Fig. 10 ASTM Impact Test D256 ranked a variety of candidate polymers: high density polyethylene and polycarbonate had the best impact properties

KesimpulanJurnal ini memberikan kesimpulan bahwa untuk meningkatkan design dan kemampuan suatu polimer dalam aplikasinya sebagai biomaterial, maka harus diketahui terlebih dahulu mengenai struktur dan sifat dasar dari polimer yang terkait. Penerapan berbagai teknik analisis, pada studi ini yaitu metode analisis termal, penting dilakukan untuk mengevaluasi secara efektif mengenai kriteria sifat yang menjadi hal utama dalam memilih bio-kompatibel polimer untuk digunakan sebagai perangkat medis.

KARAKTERISASI POLIMER

Karakterisasi Polimer

Karakterisasi Polimer adalah cabang ilmu polimer analitis.

Disiplin ini berkaitan dengan karakterisasi bahan polimer di berbagai tingkatan. Karakterisasi yang biasanya memiliki sebagai tujuan untuk meningkatkan kinerja bahan yang menyiratkan bahwa

karakterisasi idealnya juga dihubungkan dengan parameter yang terkait dengan sifat yang diinginkan dari material seperti kekuatan, impermeabilitas, ketangguhan, sifat optik dan sejenisnya .

Struktur kimia

Struktur kimia dari polimer banyak agak kompleks karena reaksi polimerisasi tidak selalu menghasilkan molekul identik seperti dalam kasus sintesis kode - DNAdari biopolimer. Bahan polimer biasanya terdiri dari distribusi ukuran molekul dan kadang-kadang juga bentuk. metode kromatografi seperti kromatografi ukuran pengecualian sering dalam kombinasi dengan hamburan cahaya rendah-sudut laser (LALLS) dan atau viscometry dapat digunakan untuk menentukan distribusi berat molekul serta derajat percabangan rantai panjang polimer, memberikan pelarut yang sesuai dapat ditemukan. Kopolimer dengan percabangan rantai pendek seperti low density polyethylene linear (a kopolimer etilena dan alkena yang lebih tinggi seperti hexene atau octene) membutuhkan pendekatan yang berbeda. Suhu analitis Rising Elusi Fraksinasi (ATREF) teknik dapat mengungkapkan bagaimana cabang rantai pendek yang didistribusikan ke berbagai molekul berat.

Sifat termal

Upaya untuk karakterisasi polimer adalah analisis termal, kalorimetri pemindaian terutama Diferensial. Perubahan parameter komposisi dan struktural dari bahan biasanya mempengaruhi leleh transisi atau transisi kaca dan pada gilirannya dapat dihubungkan dengan parameter banyak kinerja. Untuk polimer semicrystalline itu merupakan metode penting untuk mengukur kristalinitas.

Mekanikal dan dielektrik spektroskopi

Spektroskopi Dynamic mekanis dan Dielektrik spektroskopi pada dasarnya ekstensi analisis termal yang dapat mengungkapkan transisi yang lebih halus dengan suhu karena mereka mempengaruhi modulus kompleks atau fungsi dielektrik material.

Morfologiparameter morfologi, terutama pada (nanometer untuk mikron) mesoscale sangat penting bagi sifat mekanik dari banyak bahan. Transmisi Elektron Mikroskopi dalam kombinasi dengan teknik pewarnaan, tetapi juga Mikroskop Elektron, Scanning probe microscopy dan bentuk lain dari mikroskop adalah alat penting untuk mengoptimalkan morfologi bahan seperti polimer polibutadien-polystyrene dan campuran polimer banyak.

Difraksi sinar-X umumnya tidak kuat untuk kelas bahan karena mereka baik atau buruk amorf mengkristal. Rentang sudut kecil (Sudut Kecil X-ray Hamburan: SAXS dapat digunakan untuk mengukur periode panjang polimer semicrystalline.

Teknik Lain

• Solid state NMR

• spektroskopi teknik: FTIR dll

• ACOMP [1] [2]

• LKM

• TGA

• makan minyak

• Dual interferometri polarisasi

Diposkan oleh AUNG SUMBONO di 17.20